Tajniki rzemiosła: urządzenia do sprawdzania integralności sygnału w obwodzie

Jason J. Ellison
|  October 17, 2019

Jak w przypadku każdego zawodu, inżynierowie ds. integralności sygnału korzystają z niszowych narzędzi. O narzędziach do sprawdzania integralności sygnału często myśli się jako o przeglądarkach parametru S, solverach elektromagnetycznych 3D lub sprzęcie pomiarowym. Te narzędzia mają jedną wspólną cechę: służą do analizy. A co z urządzeniami, które inżynierowie ds. integralności sygnału wdrażają, żeby ułatwić sobie życie? W tym artykule omówię trzy urządzenia, które pomagają zaoszczędzić czas i pieniądze: wielogniazdowe przewody testowe, przełączniki RF oraz stary, dobry filtr RC.

Wielogniazdowe przewody RF

Współczesne normy bardzo szybkiej transmisji szeregowej wskazują nam, jak uzyskać kanały 56 Gb/s. Aby właściwie ocenić te kanały, musimy mierzyć wydajność kanału do co najmniej 28 GHz. Przy tej częstotliwości używamy złączy koncentrycznych 2,92 mm. Pionowe złącza kompresyjne, które są najbardziej popularną wersją od ponad dekady, są drogie, a wtyk kompresyjny tych złączy wsuwa się w korpus złącza podczas podłączania. Po odłączeniu złącza i przyłączeniu go do innej płytki prawdopodobieństwo, że będzie ono działać, wynosi 50%. Typowy osprzęt do testowania integralności sygnału ma 32 takie złącza, a my, inżynierowie ds. integralności sygnału, używamy mnóstwo osprzętu do testowania! Koszty szybko się piętrzą i mogą być porażające. 

Na szczęście postęp w technologii montażu kompresyjnego wyeliminował ten problem, ponieważ istnieją zespoły przewodów wielokrotnego użytku, które działają tak jak złącza koncentryczne montowane w pionie. Koszt początkowej inwestycji w takie zespoły jest wysoki; jednak w ciągu roku takie zespoły mogą zaoszczędzić firmie setki tysięcy dolarów, jakie wydano by na złącza koncentryczne. Te zespoły przewodów mają od 8 do 32 połączeń, co oznacza, że można je wykorzystać do podłączenia wektorowego analizatora sieci VNA, który ma od 8 do 32 gniazd, podłączając tylko jedno złącze na test. Ponadto gęstość sygnału jest znacznie większa niż ta, jaką można uzyskać, stosując złącza koncentryczne, a to umożliwia tworzenie układów o mniejszych stratach, które można testować metodą de-embedded przy wyższych częstotliwościach. 

Mam dwa przykłady takich produktów, w których zastosowano technologię mocowania kompresyjnego. Pierwszym jest złącze BullsEye firmy Samtec, a drugim Terminate-r firmy Ardent Concepts.

Multiple rendered images of Samtec BullsEye BE70 connector systems capable of 70GHz of bandwidth. Image courtesy of Samtec, Inc.

Złącze BullsEye BE70 firmy o paśmie 70 GHz zapewnia zachowanie integralności w obwodzie. Ilustracja udostępniona przez Samtec, Inc.

Szerokopasmowe przełączniki RF

Zastosowanie przełączników RF pozwala przyspieszyć testowanie, zaoszczędzić miejsce na płytce PCB lub zaoszczędzić pieniądze dzięki zmniejszeniu liczny złączy koncentrycznych. Istnieją dwa główne typy przełączników szerokopasmowych.

  • Półprzewodnikowe
  • Elektromechaniczne

Przełączniki elektromechaniczne mogą mieć rozmaite szerokości pasma i liczbę gniazd. Zakres szerokości pasm rozciąga się od 1 GHz do 67 GHz, a ich rozmiar może być tak duży jak np. jednobiegunowy 12-pozycyjny przełącznik obrotowy SP12T. Bieguny to liczba wspólnych węzłów między gniazdami, a liczba pozycji określa liczbę dostępnych połączeń. To oznacza, że podłączając bieguny czterech przełączników SP12T do każdego gniazda analizatora VNA z czterema gniazdami, można wykonać 48 pomiarów bez zmieniania połączeń! To bardzo wydajna metoda, ale muszę o czymś ostrzec, zanim pobiegniecie kupić zestaw czterech takich przełączników. 

1. Nie wszystkie przełączniki są sobie równe.

Są dwie klasy takich przełączników:

  • Standardowe
  • O wysokiej powtarzalności

Standardowe przełączniki sprawdzają się doskonale, gdy nie trzeba się martwić o fazę. Mogą one zdziałać cuda w urządzeniach SerDes, antenach lub urządzeniach z dwoma gniazdami. Przełączniki o wysokiej powtarzalności są potrzebne w przypadku pomiarów wielotrybowych. Faza nie zmienia się pomiędzy położeniami, co skutkuje spójnością pomiarów i daje niezawodne rezultaty przy zmianie trybów. 

2. Potrzebny jest pewien montaż.

Przełączniki RF to zazwyczaj puszki i nie wyglądają świetnie, leżąc po prostu na stole laboratoryjnym. W praktyce najlepiej używa się ich, gdy są przymocowane do podstawy lub stojaka. Projektowanie urządzenia mocującego jest względnie proste, ale jest coś jeszcze, co trzeba zrobić, żeby z niego korzystać. Kiedy zaczynałem z tymi urządzeniami, wykonałem zgrzebny przyrząd dla zweryfikowania koncepcji. Zatem nie ma się czego bać, tylko trzeba coś zrobić!

Various lab devices in the background with partially loaded SP12T Radiall switches mounted to a plexiglass frame in the foreground.

Narzędzie do zachowania integralności sygnału w postaci częściowo obciążonych przełączników obrotowych SP12T zamontowanych na pleksiglasowej ramie.

Oto dwie witryny z przełącznikami RF, na które warto zajrzeć!

www.dowkey.com

www.radiall.com

Przełącznik półprzewodnikowy jest niewielki i łatwy w użyciu. Ogólny obwód sterujący jest zasadniczo taki sam jak w przypadku przełącznika elektromechanicznego, jednak przełącznik półprzewodnikowy montuje się bezpośrednio na płytce PCB. Może on być dodatni lub ujemny. Jeśli testowane urządzenie jest na tej samej płytce PCB co przełącznik, to za pomocą jednego lub dwóch przełączników z projektu można wyeliminować wiele złączy. Ponieważ obwód jest już na płytce PCB, nie trzeba projektować dodatkowego osprzętu montażowego. Inną zaletą jest wyjątkowa stabilność fazowa tych przełączników. Wskutek tego nie trzeba się martwić o kwestie zmiany trybów! Mają one również krótsze czasy osiadania i są bardzo niedrogie w porównaniu do przełączników elektromechanicznych. Jednak z drugiej strony, gdy trzeba wykonać połączenie z płytki PCB z przełącznikiem do innego układu za pomocą przewodu koncentrycznego, rezultatem jest większa liczba złączy, wyższe koszty i straty. 

Przełączniki półprzewodnikowe doskonale się sprawdzają przy testowaniu urządzeń optycznych, urządzeń SerDes oraz dużych ilości urządzeń RF. Dwa pierwsze scenariusze są świetne, ponieważ można umieścić repeater za przełącznikiem, aby uzyskać doskonałą powtarzalną integralność sygnału w testowanym urządzeniu. W trzecim przypadku można utworzyć układy urządzeń, które zostaną poddane testom po umieszczeniu ich w osprzęcie. 

Mogłoby się zdawać, że nie ma miejsca na przełączniki elektromechaniczne, skoro dostępne są niedrogie przełączniki zapewniające stabilność fazową, które nie potrzebują dodatkowego osprzętu do montażu. Dwie wady przełączników półprzewodnikowych działające na korzyść przełączników elektromechanicznych to straty z powodu włączenia oraz limity mocy. Przełączniki półprzewodnikowe zazwyczaj powodują straty rzędu kilku dB na kanał, a ścieżka na płytce PCB prowadząca do przełącznika powoduje dodatkowe straty. Dodatkowa strata ogranicza skuteczną szerokość pasma dla operacji po przetwarzaniu, jak testowanie metodą de-embedded. Ponadto nie można ich używać w układach o dużym natężeniu prądu, ponieważ się przepalą. 

Oto dwa łącza do stron z przełącznikami półprzewodnikowymi!

www.analog.com

www.psemi.com

Obwody RC dla kompensacji

Myśląc o kompensacji, myślicie pewnie o urządzeniach SerDes z wbudowanymi schematami automatycznego strojenia, ale co w przypadku, gdy badamy względnie prosty kanał, a nie mamy dostępu do tych wyrafinowanych urządzeń SerDes? Cóż, zawsze możemy użyć filtra RC jako kompensatora. 

Schematic diagram of a parallel RC filter

Równoległy filtr RC pomagający utrzymać integralność sygnału w obwodzie 

Takie filtry działają bardzo dobrze aż do 10 Gb/s. Chociaż nie nadają się one do systemu 112G, zapewniają ekonomiczne rozwiązanie w przypadku starszych układów lub sygnałów sterujących PCIe. Impedancja tego obwodu jest równa

Z = - j * R / (ω * R * C - j

Gdzie R oznacza rezystancję rezystora, a C pojemność kondensatora. Po sporządzeniu wykresu modułu impedancji wyraźnie widać, że jest to filtr dolnoprzepustowy. 

Figure showing an inverse relation between impedance and frequency of an RC filter with R = 100 Ohms and C = 10e-12 Farads

Integralność sygnału w obwodzie - impedancja filtra RC: R = 100 omów, C = 10e-12 faradów.

Aby zastosować ten filtr, trzeba zacząć od docelowej szybkości przesyłu danych. Na potrzeby tego artykułu będzie to 10 Gb/s. Następnie musimy ustalić straty przy częstotliwości Nyquista. W tym przypadku częstotliwość Nyquista to 5 GHz. Utworzyłem przykładową linię transmisyjną o stratach 13 dB przy 5 GHz. Poniżej widać wykres strat z powodu włączenia.

Figure showing insertion loss in an almost linear relation in dB scale where the magnitude of a signal decreases as its frequency increases.

Integralność sygnału w obwodzie - przykładowa linia transmisyjna o stratach 13 dB przy 5 GHz.

Do obliczenia przybliżonej wartości rezystancji służy następujące równanie.

R = 2 * Z₀ / (10 ^ (loss / 20)) - 2 * Z₀

Przekonałem się, że to równanie kompensuje nieco nadmiernie. Zatem dla tego przykładu zastosuję wartości strat -10 dB oraz impedancji układu 50 omów, co w rezultacie daje rezystancję rezystora ok. 216 omów. Następnie trzeba obliczyć pojemność kondensatora, stosując poniższe równanie.

C = 1 / (f_Nyquist * R

Zobaczmy teraz, jak to wpływa na przebieg eye pattern przy 10 Gb/s.

Przed:

Po:

Wow, ale różnica! Istnieją oczywiście bardziej zaawansowane schematy do uzyskiwania wartości tych podzespołów, ale jak widać, ta metoda sprawdza się całkiem dobrze. Dostępne są rozwiązania tego typu zintegrowane w jednym obwodzie, ale po co przepłacać, skoro można to zrobić samodzielnie?

Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej lub przeczytaj artykuł o narzędziach do sprawdzania integralności sygnału dla projektantów PCB w Altium Designer®.

About Author

About Author

Jason J Ellison received his Masters of Science in Electrical Engineering from Penn State University in December 2017.
He is employed as a signal integrity engineer and develops high-speed interconnects, lab automation technology, and calibration technology. His interests are signal integrity, power integrity and embedded system design. He also writes technical publications for journals such as “The Signal Integrity Journal”.
Mr. Ellison is an active IEEE member and a DesignCon technical program committee member.

most recent articles

Back to Home